变压器参数计算

本电源设计拟采用UC3845电流控制型芯片开关电源。 电源数量： 1.?150V， 2．两路+12V 3.+5V 4.+3.3V 5.+1.8V 6.-12V

其中1.2.3.6之间需要互相隔离。3.6之间可以不隔离。 每路功耗分析

1、?150V要求电流最大不超过30Ma,故该路路最大功率P1=150*0.03=4.5W。 2、两路+12V相同，只是要互相隔离，每路功率为0.6W,故P2=0.6*2=1.2W。 3、第3路+5V主要为系统控制部分供电，其第4路和第5路均由第3路而来。为保证可靠性并为以后升级留下余量，电源系统1.8V能够提供的电流大于300mA;整个系统在3.3V上消耗的电流与外部条件有很大的关系，这里假设不超过200ma,故3.3V电源能够提供600ma电流电流即可。与3.3V连接的外设有：液晶的部分接口；外部RTC接口；键盘接口，ADC接口；其他如指示灯，蜂鸣器，看门狗等。故P3=1.8*0.3+3.3*0.6=2.52W。

4、从+5V到+3.3V和+1.8V通过LEO芯片（SPX1117或者LM1117），这两个芯片要消耗一定的功耗。从+5V到+1.8V压降3.2V，电流为0.3A，故P5-1.8=3.2*0.3=0.96W，从+5V到3.3V压降为1.7V，电流为0.6A，故P5-3.3=1.7*0.6＝1.02W。所以P4=0.96+1.02=1.98W。

5、液晶主要有+5V和-12V供电，功耗P5为两片SED1520功耗2*0.25＝0.5W，还有背光电源的功耗，估算为0.25W,故P5＝0.5+0.25＝0.75W。 从以上分析来看，系统总的最大功耗

Pmax=P1+P2+P3+P4+P5=4.5+1.2+2.52+1.98+0.75=10.95W＝11W。

所以最后需要的电源： 1、?150V/0.03A 2、两路+12V/0.05A 3、+5V/1A 4、-12V/0.07A 高频变压器设计 方法一

高频变压器的设计是研制单片开关电源的关键技术。根据要求直流输入电压

的范围是9～21V，最大占空比为0.48，工作频率f=140KHz,??70%，输出端二极管压降VD=1V。则

K＝Vsmax/Vsmin=16/9=1.78

Dmin＝Dmax/[(1-Dmax)K+Dmax]＝0.34 则：

1）、算原边绕组流过的峰值电流Ip

利用公式Ip?2P0，假设直流波纹0.1V,设反激变压器最大占空比

VSDmax2?11?2.86A。

16?0.48Dmax?0.48,代入上式得Ip＝

2）、计算原边绕组的电感值 设计中取Dmax＝0.65,由式Lp?VsminDmaxsTs，假设电压Vs波动下限为1％，

Ip8.91?0.48?0.011mH;

2.86?140?103Vs?9?(1?0.01)?8.91V,则Lp＝3）、选择磁心尺寸

计算磁心面积乘AP。AP为Aw(磁心窗口面积)和Ae（磁心有效截面积）的乘积。如果原边绕组的线径为dW,带绕组的磁芯所占得AP值表示为APP,可以按照下式计算

2(6.33LPIPdW)108APP?cm4

?B1BS，表明工作磁感应强度变化值取饱和值BS的一半。在这里我们选211?BBS??3000?1500GS磁100?C时BS＝3000Gs。定铁氧体材料的E-E磁心，

22式中?B?心有效截面积Ae?0.45cm?0.45cm?0.2025cm2，磁心窗口面积

AW?0.5cm?1.15cm?0.575cm2。

我们选择导线时确定电流密度值为400cm/A，则通过2.86A电流时需要的圆密耳为2.86A*400cm/A=1144cm。所以我们选择AGW19#，其直径最大为0.0391英寸。所以将dW＝0.0391代入上式得

2(6.33?0.011?10?3?2.86?0.0391)APP??108cm4?0.02cm4

1500占窗口大部分面积的是副边绕组（因电流大，导线多股等原因）和绝缘材料，一般APP只有AP的（1/4～1/3）以下，取

＝0.25AP，所以AP?4APP?4?0.02?0.04cm4 APP 而我们选定的E-E磁心与线圈骨架乘积为

AWAe?0.575cm2?0.2025cm2?0.1164cm4

0.1164>0.04，选取此型号磁心与线圈骨架满足要求。 4）、计算应留出的空气隙

由于反激工作模式是单向激磁，为防止磁饱和应加气隙。气隙有较大的磁阻，而且能量是储存在气隙所构成的体积中，用下式可以算得

2lg?0.4?LpIpAe?B20.4??0.011?10?3?2.8628?10cm??10?0.025cm 20.2025?15008因此硬在磁心中心柱打磨出0.025cm或在磁心两外测心柱各打磨出0.0125cm，在这个基础上在进行调整。也可以选取已有气隙相近的磁心，并直接进行调整。 5）、原边绕组匝数计算

用Np??Blg0.4?Ip?1500?0.025?10.4匝

0.4??2.86LPIP0.011?10?3?2.86或NP???10.4匝

Ae?B0.2025?1500所以取NP=11匝 6）副边绕组匝数计算

按照输入最小电压VS(min)，导通占空比最大，使用下算得各副边绕组的匝数,

Ns?(Vo?VD)(1?Dmax)NpVsminDmax

1.?150V

(150?1)(1?0.48)?11NS??202匝

8.91?0.482．两路+12V

(12?1)(1?0.48)?11NS??17.4匝，取17匝

8.91?0.483.+5V

(5?1)(1?0.48)?11NS??8匝

8.91?0.484.-12V

(12?1)(1?0.48)?11NS??17.4匝

8.91?0.487）、副边绕组的线径

按照电流密度值为400cm/A计算。 1、?150V/0.03A

通过0.03A电流需要400cm/A400c?m/A?0.03A?12c?m（圆密耳） 2、两路+12V/0.05A

通过0.05A电流需要400cm/A400c?m/A?0.05A?20c?m（圆密耳） 3、+5V/1A

通过1A电流需要400cm/A400c?m/A?1A?400c?m（圆密耳） 4、-12V/0.07A

通过0.07A电流需要400cm/A400c?m/A?0.07A?28c?m（圆密耳） 方法二

1、选择磁心大小

根据要求直流输入电压的范围是9～21V，最大占空比为D=0.48，工作频率为140KHz,??70%，输出端二极管压降VD=1V。则变压器传输的功率为

11?15.7?16W。100?C时BS＝3000Gs。在这里我们选定铁氧体材料的E-E磁心，0.711?BBS??3000?1500GS。 22磁心有效截面积 Ae?0.45cm?0.45cm?0.2025cm2， 磁心窗口面积 AW?0.5cm?1.15cm?0.57cm52。 2、计算ton

原边绕组开关管的最大导通时间对应在最低输入电压和最大负载时发生。这里D=0.48，工作频率为140KHz

1106TS???7.14?7?S

fs140?103ton?DTS?0.48?7?3.5?S

3、计算最低直流输入电压

假设电压Vs波动下限为1％，则

Vs?9?(1?0.01)?8.91V。

4、选择工作时候磁通密度值（振幅）

100?C时BS＝3000Gs＝0.3T＝300mT。这里我们选定铁氧体材料的E-E磁心，

?Bac?11BS??3000?1500GS?0.15T?0.15mT。 225、计算原边匝数

因为作用电压是一个方波，一个导通期间的伏秒值与原边匝数关系

NP?NP?VSton，计算得

?BacAe8.91?3.5?10.27匝，取NP=10匝 20.15?0.2025?10磁心有效截面积 Ae?0.45cm?0.45cm?0.2025cm2?20.25mm2， 磁心窗口面积 AW?0.5cm?1.15cm?0.575cm2?57.5mm2。 6、计算副边匝数

以5V为反馈端，故以5V输出端为标准，设整流二极管压降为1V，绕组压降为0.6V，则5V绕组电压值为5＋1＋0.6＝6.6V 原边绕组每匝伏数＝则5V绕组匝数NS?VS8.91??0.891V/匝， NP106.6?7.4匝，取8匝 0.8917、计算选定匝数下的占空比辅助输出绕组匝数

因为副边绕组取整数8匝，反激电压小于正激电压，新的每匝得反激电压是6.6?0.825V/匝。占空比必须以同样的比率来维持伏秒值相等。 8ton?TS?0.8257?0.825??3.4?S

0.825?0.8910.825?0.8911）、?150V/0.03A

对于?150V直流输出，考虑绕组及二极管压降1.6V后为151.6V

151.6NS??184匝

0.8252）、两路+12V/0.05A

NS?13.6?16.5匝，取17匝 0.825NS?6.6?8匝 0.8253）、+5V/1A

4）、-12V/0.07A

NS?13.6?16.5匝，取17匝 0.8258、确定磁心气隙大小

上面已经说过，带气隙的磁心在一个更大得磁场强度H值下才会产生磁饱和，因此可以经受一个更大的直流成分。实际工作是通过气隙大小调整来选定能量的传递方式。设IP1、IP2 、Iave分别为开关管导通时候电感线圈流过的最小电流、最大电流、平均电流。一般情况下，设取IP2＝3IP1，则Iave＝IP2-IP1＝2IP1，在周期TS的平均输入电流IS

IS?相应的值为

Iave?P16??1.80A VS8.91IISTS1.80?7??3.71A， IP1?ave?1.86A，IP2?3IP1?5.58A

2ton3.4在ton期间电流变化量?I?IP2?IP1?5.58?1.86?3.98A，原边电感

VS?t3.4?10?6LP??8.91??7.61?10?3mH?0.008mH

?i3.98 气隙可以用下式计算

lg?2?0?NP?AeLP4??10?7?102?20.25??0.32mm

0.0089、检测磁心磁通密度和饱和区间

检测磁心的最大磁感应强度是必要的，这可确保提供一个最大工作值和饱和值之间的适度区间。在任何情况下，包括瞬时负载和高温，应避免磁心饱和。这可以使用两种方法来检测：对变换器的测量或计算。 1）、测量磁心饱和边界。

把输入电压设置到能维持控制的最低值8.9V; 设置输出负载到最大功率值；

在示波器上直接观察原边线圈流过的电流波形，减小工作频率直到观察到磁饱和现象（此时，电流脉冲结束时电流突然上升）。计算在情况下的ton与正常的ton时间增加的百分比，可得出在一般情况下的磁感应强度的边界。磁边界还应考虑在高温下允许磁感应强度会降低，并允许在磁心气隙和瞬时要求中有10％的容量。如果留的边界不足10％时，可增加气隙。

2）、计算磁饱和边界。计算交流磁通产生磁感应强度变化幅值。

?Bac?VS?ton8.91?3.4??0.15T

NP?Ae10?20.25 使用磁感应强度与直流电流相关的关系计算直流成分Bdc。

假设磁心所有磁阻都集中在气隙中，显然作为一个比较保守的结果，

可得到一个较高的直流磁感应强度。此近似值允许使用一个简单的公式

Bdc???H??0NPIP1lg?10?34??10?7?10?1.86??0.073mT ?30.32?10 交流和直流磁感应强度之和得到磁感应强度最大值

?Bac150Bmax??Bdc??0.037?75.037mT

22检查在100?300mT左右，C时的磁心材料特性的边界，BS在

75.037?Bmax?BS?360mT，故工作留有余量，设计通过。 控制电路设计 1、功率开关管的选择

功率开关管上承受的电压应力和电流应力为

UDSmax?UImax?NP10U5?21??6.6?30.25V NS8IP2?3IP1?5.58A

故应选择耐压超过100V,电流8A以上。

2、振荡频率的设置

开关频率为140KHz,而UC3845的振荡频率是开关频率的2倍，所以振荡频率为

1.72280KHz。选时间电容C＝1nF=0.001uF，根据式RT?得时间电阻的值

fOSCCT1.72?106?6K。取标称值6K。 R=3280?10?0.0013、流检测电阻和滤波网络的选取

电流检测电阻R?1V1V??0.35?，R和C组成得滤波网络时间常数近Imax2.86A似等于电流尖峰持续时间（几百纳秒），取R=750?,C=330pF。 4、驱动电路

电阻R是为抑制寄生振荡而加入的，取R＝20?；电阻R为开关管的输入电容提供泄放回路，取其值为20K；D为防止输出噪声馈电给振荡器，选用1N5819。 5、噪声抑制

为了抑制噪声，UC3845的7脚及8脚与5脚（GND）之间各接了个小的瓷片旁路电容，取其值为0.01uF。 6、斜坡补偿

斜坡补偿可以采用在4脚和3脚之间接一个电阻和电容。在这里接一电容，取其值为100pF，或者接10K左右的电阻。 7、箍位电路的设计 8、输出整流滤波电路设计

输出整流滤波电路由整流二极管和滤波电容构成，输出整流二极管的开关损耗占系统损耗的六分之一到五分之一，是影响开关电源效率的主要因素，包括正向导通损耗和反向恢复损耗。由于肖特基二极管导通时正向压降较低，因此具有更低的正向导通损耗。此外，肖特基二极管反向恢复时间短，在降低反向恢复损耗，以及消除输出电压中的纹波方面有明显的性能优势，选用肖特基二极管作为整流二极管。对输出滤波电容，选用ESR(等效串联阻抗)低耐压高的电容。 8、反馈电路设计

外部误差放大器由TL431组成，＋5V输出电压经R10，R11分压后得到的取样电压，与TL431中的2.5V带隙基准电压进行比较。当＋5V输出端电压大于5V时，取样电压>2.5V，光耦U2(CNY17-2)使控制端电流Ic增大，TOP224Y的输出占空比减小，使＋5V输出端电压维持减小，达到稳压目的。光耦工作在线性状态，起隔离作用，如果所选光耦的CRT(电流放大率)上限超过200%，容易造成TOP224过压保护。相反，若CTR下限小于40%，占空比将不能随反馈电流的增大而减小，从而导致过流。因此，应选择CTR范围接近100%的光耦。

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